JP2021042427A - シミュレーション方法、及びシミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応炉の途中から投入される燃焼用材料も考慮して、反応炉内の物質の挙動をより高精度に計算することができるシミュレーション方法を提供する。【解決手段】シミュレーション方法は、反応炉内に供給した原料鉱石を移動させながら、移動の途中に揮発分及び固定炭素の少なくとも一方を含む燃焼用材料を投入し、原料鉱石の乾燥及び還元を行うシミュレーション方法であって、燃焼用材料を揮発分と固定炭素とに質量流量で分配する工程と、燃焼ガスを含む第１ガス相と分配された前記揮発分とを含む第２ガス相の、原料鉱石を含む固相との平衡状態に寄与する第１反応量を計算する工程と、原料鉱石を含む第１固相と固定炭素を含む第２固相の、平衡状態に寄与する第２反応量を計算する工程と、第２ガス相の平衡反応に寄与する第１反応分と第２固相の平衡反応に寄与する第２反応分とが平衡状態に達した時のそれぞれの流量を少なくとも計算する工程とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、シミュレーション方法、及びシミュレーション装置に関する。

酸化鉱石の一種であるリモナイト鉱石やサプロライト鉱石等のラテライト鉱石（ニッケル酸化鉱石）の製錬方法として、ロータリーキルンや移動炉床炉等を使用して、鉄とニッケルを主成分とする合金であるフェロニッケルを製造する乾式製錬方法が知られている。

ロータリーキルンによる乾式製錬方法では、原料鉱石をロータリードライヤーにて乾燥させ、付着水分を例えば１５％〜２５％とした後、付着水が低減された乾燥鉱石をロータリーキルンの装入端から投入する。その後、ロータリーキルンの装入端から供給する石炭の燃焼熱や、ロータリーキルンの排出端に設けられた微粉炭専焼バーナー又は微粉炭と重油の混焼バーナーにより、乾燥鉱石を加熱して、乾燥鉱石を乾燥させると共に焼成を行う。

ロータリーキルンによる乾式製錬方法を用いる場合には、装入端より供給する石炭の燃焼熱やバーナーで微粉炭や重油等が燃焼して生じる燃焼熱の他に、ロータリーキルンの途中から投入した石炭の燃焼によって生じる燃焼熱を乾燥鉱石の乾燥及び部分還元に必要な熱を与える方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、ロータリーキルンの途中に設けたスクープフィーダから石炭をロータリーキルン内に投入することにより、ロータリーキルンの装入端から装入したニッケル酸化鉱の乾燥鉱石を、バーナーで化石燃料の燃焼により生じる燃焼熱で焼成すると共に部分的な還元処理を施すロータリーキルンの操業方法が開示されている。このロータリーキルンの操業方法では、スクープフィーダから投入された石炭は熱分解することで揮発分と固定炭素になり、揮発分は炉内の燃焼ガスと共に装入端より排出され、固定炭素は、乾燥鉱石が乾燥・還元処理されて産出された焼鉱と共に排出端から排出される。

特許第５９６７６１６号公報

ここで、特許文献１に記載のロータリーキルンの操業方法を用いてロータリーキルン内の乾燥鉱石や石炭等の挙動をシミュレーションする際には、ロータリーキルンの装入端から投入される乾燥鉱石の他に、ロータリーキルンの途中から投入される石炭も考慮する必要がある。

そのため、ロータリーキルン等の反応炉内に、反応炉の途中から石炭等の燃焼用材料を投入して、原料鉱石の乾燥及び還元処理を行い、原料鉱石の製錬をより精度高く行うためには、燃焼用材料の種類や大きさ等を考慮して解析する必要がある。

本発明の一態様は、反応炉の途中から投入される燃焼用材料を考慮して、反応炉内の物質の挙動をより高精度に解析することができるシミュレーション方法を提供することを目的とする。

本発明に係るシミュレーション方法の一態様は、
反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、移動の途中に揮発分及び固定炭素の少なくとも一方を含む燃焼用材料を投入し、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行うシミュレーション方法であって、
前記燃焼用材料を前記揮発分と前記固定炭素とに質量流量で分配する分配工程と、
前記燃焼ガスを含む第１ガス相と分配された前記揮発分とを含む第２ガス相の、前記原料鉱石と分配された前記固定炭素とを含む固相との平衡状態に寄与する第１反応量を計算して、前記第２ガス相の平衡反応に寄与する反応分を第１反応分として求める第１反応量の計算工程と、
前記原料鉱石を含む第１固相と前記固定炭素を含む第２固相の、平衡状態に寄与する第２反応量を計算して、前記第２固相の平衡反応に寄与する反応分を第２反応分として求める第２反応量の計算工程と、
前記第１反応分と前記第２反応分とが平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算工程と、
を含む。

本発明に係るシミュレーション方法の一態様は、反応炉の途中から投入される燃焼用材料を考慮して、反応炉内の物質の挙動をより高精度に解析することができる。

一実施形態に係るシミュレーション方法が適用されるロータリーキルンの概略構成を示す。 一実施形態に係るシミュレーション装置の機能を示すブロック図である。 一実施形態に係るシミュレーション方法を説明するフローチャートである。 シミュレーション装置のハードウェア構成図である。 ロータリーキルン内の燃焼ガスと原料鉱石との流れを示す図である。 一実施形態に係るシミュレーション方法をロータリーキルンの全体に適用する場合のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する。また、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。

一実施形態に係るシミュレーション方法について説明するに当たり、一実施形態に係るシミュレーション方法が適用されるロータリーキルンの構成について説明する。

＜ロータリーキルン＞
図１は、一実施形態に係るシミュレーション方法が適用されるロータリーキルンの概略構成を示す。図１に示すように、ロータリーキルン１は、回転自在で略円筒形状のキルン本体１１と、キルン本体１１の途中に設けられる燃焼用材料供給管１２とを有する。

キルン本体１１は、円筒形状の中空構造物からなる窯であり、キルン本体１１は、厚さ１５〜３０ｍｍの炭素鋼からなる。キルン本体１１は、その内周側の壁面に、耐熱性を高めるための耐火物を備えることが好ましい。

キルン本体１１の大きさとしては、例えば、内径が４．５ｍ〜５．５ｍ、長軸方向の長さ（全長）が１００ｍ〜１１０ｍの大きさのものを用いることが好ましい。

キルン本体１１は、その一端側（図１中の左側）の開口端部１１ａが、ロータリーキルン装入端（以下、単に「装入端」ともいう。）１４Ａに挿入して閉じられると共に、他端側（図１中の右側）の開口端部１１ｂが、ロータリーキルン排出端（以下、「排出端」ともいう。）１４Ｂに挿入して閉じられている。キルン本体１１は、装入端１４Ａから排出端１４Ｂに向かってわずかに傾斜した状態で配設されており、軸回りに回転自在に支持されている。

装入端１４Ａには、原料鉱石をキルン本体１１内に導入する原料供給管１５が貫設されている。排出端１４Ｂには、開口端部１１ｂを貫通してキルン本体１１内に導入されるバーナー１６が設けられる。

原料鉱石は、ニッケル酸化鉱石（酸化ニッケル鉱石）等を用いることができる。原料鉱石は、例えば、ニッケル酸化鉱石等をドライヤー（ロータリードライヤー）により予備乾燥して、付着水分の一部を除去した乾燥鉱石等を用いることができる。乾燥鉱石中の水分量としては、１５質量％〜２５質量％程度である。

原料鉱石であるニッケル酸化鉱石としては、特に限定されないが、鉄とニッケルを主成分とする合金であるフェロニッケルの製錬においては、ガーニエライト鉱等が好ましく用いられる。ガーニエライト鉱の代表的な組成としては、乾燥鉱石での換算で、Ｎｉ品位が２．１質量％〜２．５質量％、Ｆｅ品位が１１質量％〜２３質量％、ＭｇＯ品位が２０質量％〜２８質量％、ＳｉＯ₂品位が２９質量％〜３９質量％、ＣａＯ品位が０．５質量％未満、灼熱減量が１０質量％〜１５質量％である。

バーナー１６は、微粉炭専焼バーナー又は微粉炭と重油の混焼バーナー等を用いることができる。バーナー１６は、微粉炭又は微粉炭及び重油等を含む燃料を燃焼して、ロータリーキルン１内に燃焼熱を発生させる。

燃焼用材料供給管１２は、キルン本体１１の外周面の途中に設けられ、キルン本体１１内に燃焼用材料を供給する。燃焼用材料は、揮発分及び固定炭素の少なくとも一方を含み、例えば、石炭等の炭材を用いることができる。

揮発分は、炭化水素化合物、硫黄及びハロゲン等の揮発物質等である。

固定炭素は、石炭から水分・揮発分が抜けた後の、熱分解後残渣であるチャー粒子（主に固定炭素及び灰分）のうち、灰分を除いた主に炭素から構成される燃焼分である。

なお、図１では、燃焼用材料供給管１２は、キルン本体１１の外周面に１つだけ設けられているが、キルン本体１１の外周面に、キルン本体１１の軸方向又は軸回りに沿って複数設けてもよい。

燃焼用材料は、単一品種の炭材ではなく、複数の異なる品種の炭材等を混合して用いることが多く、さらに投入する炭材の粒子径の大きさも分布を持つことが多い。なお、粒子径とは、有効径による体積平均粒径をいい、粒子径は、例えば、レーザ回折・散乱法、動的光散乱法又は分級法等によって測定される。レーザ回折・散乱法を用いる場合、レーザ回折・散乱法により測定した体積基準の粒度分布において小粒径側からの積算粒径分布が５０％となる粒子径（Ｄ₅₀）を平均粒子径として用いることができる。

原料鉱石は、装入端１４Ａに設けた原料供給管１３からキルン本体１１内に装入され、燃焼用材料は燃焼用材料供給管１２からキルン本体１１内に投入される。排出端１４Ｂ側からは、排出端１４Ｂに設置したバーナー１６により微粉炭や重油等を燃焼させることにより発生した高温の燃焼ガスが、排出端１４Ｂ側から装入端１４Ａ側に向けて、すなわち原料鉱石の流れと反対の方向に吹き込まれる。

キルン本体１１内では、原料鉱石は、装入端１４Ａから装入され、キルン本体１１が所定の速度で回転することで、装入端１４Ａから原料供給管１５を通してキルン本体１１内に装入された原料鉱石を一端側である開口端部１１ａ側から他端側である排出端１４Ｂに向かって搬送する。このとき、原料鉱石は、キルン本体１１内を移動しながら、排出端１４Ｂから装入端１４Ａ側に向かって流れる燃焼ガスと向流接触し、バーナー１６で微粉炭や重油等の燃料を燃焼させることにより発生させた高温の燃焼ガスの燃焼熱及び火炎によって加熱される。また、燃焼用材料供給管１２からキルン本体１１内に投入される燃焼用材料が、キルン本体１１内の燃焼ガスにより燃焼する。原料鉱石は、燃焼用材料供給管１２から投入された燃焼用材料の燃焼により生じさせた燃焼熱によっても加熱される。そのため、原料鉱石は、キルン本体１１の回転に連れてキルン本体１１の装入端１４Ａから排出端１４Ｂに向けて移動しながら、バーナー１６で燃料が燃焼することで生じた燃焼ガスの燃焼熱及び火炎と、燃焼用材料が燃焼することで生じた燃焼ガスの燃焼熱とにより加熱され、徐々に温度を上げて行く。

キルン本体１１内では、原料鉱石と燃焼ガスとの間で、原料鉱石や燃焼用材料に含まれる水分の蒸発、燃焼用材料に含まれる揮発分の揮発と、バーナー燃料及び燃焼用材料に含まれる灰分の落下等により、物質の移動が生じる。ロータリーキルン１の途中から供給される燃焼用材料が熱分解することで生じる水分や揮発分は装入端１４Ａ側に燃焼ガスと共に移動し、チャー粒子は排出端１４Ｂに原料鉱石と共に移動する。

キルン本体１１内の原料鉱石が排出端１４Ｂに到達するまでに、原料鉱石は、その原料鉱石中に含まれる水分がほぼ完全に除去されて焼成すると共に部分還元されて、焼鉱となる。

焼鉱は、例えば、温度８００〜９００℃、粒子径が１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の大きさからなる。焼鉱は、排出端１４Ｂから排出される。

排出端１４Ｂの排出口には、粒子径１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の焼鉱と、ロータリーキルン１内に発生した焼結塊（粒子径１００ｍｍ〜５００ｍｍ程度）とを分離するためのロストル（篩分装置）１７が設けられている。ロストル１７は、例えば、目開き１００ｍｍ程度の鉄製の格子で構成されている。排出端１４Ｂから排出された焼鉱は、ロストル１７を通過した後、焼鉱排出用シュート１８を通って、次工程に搬送される。

＜シミュレーション装置＞
次に、一実施形態に係るシミュレーション方法が適用される、一実施形態に係るシミュレーション装置について説明する。図２は、一実施形態に係るシミュレーション装置の機能を示すブロック図である。なお、図２では、シミュレーション装置が、ロータリーキルン１内を複数の領域に分割した時の、燃焼用材料供給管１２から燃焼用材料が供給される領域Ａにおける単位操作モデルとして説明する。また、図２では、領域Ａのうち、燃焼ガスが吹き込まれる領域を領域Ａ＋１とし、原料鉱石が装入される領域を領域Ａ−１とする。

なお、以下の説明において、領域Ａに流入するガス相は、第１ガス相、第２ガス相、第３ガス相として記載し、領域Ａに流入する固相は、第１固相、第２固相、第３固相として記載する。
以下の説明において、
「第１ガス相」とは、一方の隣接する領域（領域Ａ＋１）から領域Ａに流入する燃焼ガスである。燃焼ガスは、揮発分の他に、酸素や二酸化炭素、一酸化炭素、水素など平衡反応に寄与するガス、さらに反応に寄与しない不活性な物質（例えば、窒素等）等を含んでもよい。
「第２ガス相」とは、燃焼用材料から分配された揮発分と第１ガス相とが合算されたガス相である。
「第３ガス相」とは、後述する第１の混合計算モデルＭ４−１で生じるガス相である。
「第１固相」とは、一方の隣接する領域（領域Ａ−１）から領域Ａに流入する原料鉱石である。原料鉱石は、酸化ニッケルや酸化鉄などの鉱石中化合物や、固定炭素の他に、後述する平衡反応計算モデルＭ３において反応に寄与しない不活性な物質等を含んでもよい。
「第２固相」とは、燃焼用材料から分配された固定炭素と第１固相とが合算された固相である。
「第３固相」とは、後述する第２の混合計算モデルＭ４−２で生じる固相である。

図２に示すように、シミュレーション装置２０は、燃焼用材料の分配モデル（分配モデル）Ｍ１、第１反応量の計算モデルＭ２−１、第２反応量の計算モデルＭ２−２、平衡反応計算モデルＭ３、第１の混合計算モデルＭ４−１、及び第２の混合計算モデルＭ４−２を含む。

分配モデルＭ１は、燃焼用材料の種類や成分等を予め設置しておくことにより、燃焼用材料を、燃焼用材料に含まれる揮発分（ガス相の一成分）と固定炭素（固相の一成分）とに質量流量で分配する機能を有する。

第１反応量の計算モデルＭ２−１は、一方の隣接する領域（領域Ａ＋１）から流入する燃焼ガス（第１ガス相）Ｇ１と、分配モデルＭ１で分配された燃焼用材料の揮発分とを含む第２ガス相Ｇ２と、他方の隣接する領域（領域Ａ−１）から流入する原料鉱石（第１固相Ｓ１）と、分配モデルＭ１で分配された固定炭素とを含む第２固相Ｓ２との平衡状態に達する量が、例えばアレニウス型の反応速度式に従う反応速度と、領域Ａ内の第２ガス相Ｇ２の滞留時間から算出できるモデルを採用する。そして、第１反応量の計算モデルＭ２−１は、第１反応量に相当する第１反応分と、残りの未反応の質量流量に相当する第１未反応分とに分割する。

なお、反応分とは、領域Ａ内の第２ガス相Ｇ２又は第２固相Ｓ２が通過する滞留時間において、第２ガス相Ｇ２又は第２固相Ｓ２との接触により、反応に寄与する流量をいう。

ロータリーキルン１では、燃焼ガスと原料鉱石の流れが対向流となっている。燃焼ガスの流速は原料鉱石の流れよりも大きく、燃焼ガスと原料鉱石とは平衡状態に達していない。そこで、本実施形態では、第１反応量の計算モデルＭ２−１は、ロータリーキルン１内のある領域（領域Ａ）の第２ガス相Ｇ２の一部のみが原料鉱石と平衡状態に達するとみなして、それに対応する第１反応量に応じて、第２ガス相Ｇ２を分割する。

第２反応量の計算モデルＭ２−２は、アレニウス型の反応速度式で鉱石の滞留時間により第２固相Ｓ２と第２ガス相Ｇ２とが平衡状態に達していると見積もった分量だけについて、第２ガス相Ｇ２との反応に寄与する第２固相Ｓ２の第２反応量を計算する。そして、第２反応量の計算モデルＭ２−２は、第２反応量に相当する第２反応分と、残りの未反応の質量流量に相当する第２未反応分とに分割する。

平衡反応計算モデルＭ３は、第１反応分と第２反応分との反応により生成される可能性のある物質（生成物質）の種類、相、流量等を予め設定しておくことにより、生成物質の自由エネルギーが最小となるように、平衡反応計算を行って、生成物質の種類、相、流量等を決定する機能を有する。平衡反応計算モデルＭ３は、第１反応分と第２反応分とが平衡状態に達したときの、それぞれの熱量の変化、流量、生成物質の種類、組成及び相等を計算して出力する。

平衡反応計算モデルＭ３は、第１反応分と第２反応分とが反応することで生じる生成ガスと第１反応分の未使用分とを、第１生成分として計算する。また、平衡反応計算モデルＭ３は、第１反応分と第２反応分とが反応することで生じる生成物質と、第２反応分の未使用分とを、第２生成分として計算する。

第１の混合計算モデルＭ４−１は、複数の流れを混合する機能を有しており、第１反応量の計算モデルＭ２−１で分割された第１未反応分と、平衡反応計算モデルＭ３で生じた第１生成分とをそれぞれ混合した第３ガス相Ｇ３の流量や組成データ等を計算する。

第２の混合計算モデルＭ４−２は、複数の流れを混合する機能を有しており、第２反応量の計算モデルＭ２−２で分割された第２未反応分と、平衡反応計算モデルＭ３で生じた第２生成分とを、それぞれ混合した第３固相Ｓ３の流量や組成データ等を計算する。

＜シミュレーション方法＞
次に、一実施形態に係るシミュレーション装置を用いて、一実施形態に係るシミュレーション方法について説明する。一実施形態に係るシミュレーション方法は、図１に示すような構成を有するロータリーキルン１において、ロータリーキルン１の装入端１４Ａ側から供給した原料鉱石を排出端１４Ｂ側に向かって移動させながら、移動の途中から燃焼用材料を投入し、原料鉱石を排出端１４Ｂ側に設けられるバーナー１６から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行う場合のシミュレーション方法である。

図３は、一実施形態に係るシミュレーション方法を説明するフローチャートである。図３に示すように、シミュレーション装置２０は、ロータリーキルン１内に燃焼用材料を投下しているか否かを確認する（確認工程：ステップＳ１１）。

ロータリーキルン１内に燃焼用材料が投下されている場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、シミュレーション装置２０は、揮発分を想定した炭化水素化合物等と、固定炭素を想定した物質を入力物質として与え、燃焼用材料の分配モデルＭ１を用いて、ロータリーキルン１内に添加される燃焼用材料を揮発分と固定炭素とに質量流量で分配する（分配工程：ステップＳ１２）。

次に、シミュレーション装置２０は、一方の隣接する領域（領域Ａ＋１）から領域Ａに流入する燃焼ガスである第１ガス相Ｇ１と、他方の隣接する領域（領域Ａ−１）から領域Ａに流入する原料鉱石である第１固相Ｓ１と、分配モデルＭ１で分配された燃焼用材料の揮発分及び固定炭素とを入力物質として与える。シミュレーション装置２０は、第１反応量の計算モデルＭ２−１を用いて、第１ガス相Ｇ１と、分配モデルＭ１で分配された燃焼用材料の揮発分とを含む第２ガス相Ｇ２のうち、原料鉱石（第１固相Ｓ１）及び分配モデルＭ１で分配された固定炭素を含む第２固相Ｓ２との平衡状態に寄与する第２ガス相Ｇ２の第１反応量を計算する（第１反応量の計算工程：ステップＳ１３）。

すなわち、シミュレーション装置２０は、第２ガス相Ｇ２と第２固相Ｓ２とが反応して平衡状態に達すると仮定したときに、第２ガス相Ｇ２が第２固相Ｓ２及び第２ガス相Ｇ２同士で反応して平衡状態に達する時の、反応に寄与する第１反応量を計算する。

そして、シミュレーション装置２０は、第１反応量の計算結果に基づいて、第１反応量に相当する第１反応分と、残りの未反応量に相当する第１未反応分とに分割する。

次に、シミュレーション装置２０は、第１ガス相Ｇ１と、分配モデルＭ１で分配された燃焼用材料の揮発分と、第１固相Ｓ１と、分配モデルＭ１で分配された固定炭素とを入力物質として与える。シミュレーション装置２０は、第２反応量の計算モデルＭ２−２を用いて、第２固相Ｓ２のうち、第２ガス相Ｇ２及び第２固相Ｓ２同士での反応に寄与する、第２固相Ｓ２の第２反応量を計算する（第２反応量の計算工程：ステップＳ１４）。

すなわち、シミュレーション装置２０は、第２ガス相Ｇ２と第２固相Ｓ２とが反応して平衡状態に達すると仮定したときに、第２固相Ｓ２が第２ガス相Ｇ２及び第２固相Ｓ２同士で反応して平衡状態に達する時の反応に寄与する第２反応量を計算する。

そして、シミュレーション装置２０は、第２反応量の計算結果に基づいて、第２反応量に相当する第２反応分と、残りの未反応量に相当する第２未反応分とに分割する。

次に、シミュレーション装置２０は、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）で得られた第１反応分と、第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）で得られた第２反応分とを入力物質として与え、平衡反応計算モデルＭ３を用いて、第１反応分と第２反応分との平衡反応を計算する（平衡反応計算工程：ステップＳ１５）。

シミュレーション装置２０は、第１反応分と第２反応分とが反応することで生じるガス相と、第１反応分の未使用分とを、第１生成分として計算し、第１反応分と第２反応分とが反応することで生じる固相と、第２反応分の未使用分とを、第２生成分として計算する。

次に、シミュレーション装置２０は、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）で得られた第１未反応分と、平衡反応計算工程（ステップＳ１５）で得られた第１生成分とを入力物質として与え、第１の混合計算モデルＭ４−１を用いて、第１未反応分と第１生成分とを含む第３ガス相Ｇ３の流量および組成データを計算する（第１の混合計算工程：ステップＳ１６）。

第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）で計算した第１反応分は、第２ガス相Ｇ２と第２固相Ｓ２とが平衡状態に達したと仮定した時の反応量であるため、通常、全て使用される。しかし、ガス相である第１反応分には、反応の量論比以上に存在する物質や反応に寄与しない不活性な物質が存在している場合がある。不活性な物質は、例えば、窒素等である。第１混合計算工程（ステップＳ１６）では、反応の量論比以上に存在し結果として平衡反応後に残る物質や不活性な物質は、平衡反応計算モデルＭ３で使用されずに残った未使用分として計算する。

シミュレーション装置２０は、第３ガス相Ｇ３を領域Ａよりも装入端１４Ａ側の領域（領域Ａ−１）に移動する。

次に、シミュレーション装置２０は、第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）で得られた第２未反応分と、平衡反応計算工程（ステップＳ１５）で得られた第２生成分とを入力物質として与え、第２の混合計算モデルＭ４−２を用いて、第２未反応分と第２生成分とを含む第３ガス相Ｇ３の流量および組成データを計算する。

固相である第２反応分には、反応の量論比以上に存在する物質や反応に寄与しない不活性な物質が存在している場合がある。第２混合計算工程（ステップＳ１７）では、第２反応分のうち、反応の量論比以上に存在し結果として反応で使用されなかった部分、および不活性な部分は、平衡反応計算モデルＭ３で使用されずに残った未使用分として計算する。

シミュレーション装置２０は、第３固相Ｓ３を領域Ａよりも排出端１４Ｂ側の領域（領域Ａ＋１）に移動する。

なお、シミュレーション装置２０は、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）と第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）とを並行して行ってもよいし、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）を第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）の後に行ってもよい。

また、シミュレーション装置２０は、第１混合計算工程（ステップＳ１６）と第２混合計算工程（ステップＳ１７）とを並行して行ってもよいし、第１混合計算工程（ステップＳ１６）を第２混合計算工程（ステップＳ１７）の後に行ってもよい。

また、シミュレーション装置２０は、熱伝導に関しては、必要に応じて、放射、伝導および対流等のモデルで計算するようにしてもよい。

＜シミュレーション装置のハードウェア構成＞
次に、シミュレーション装置のハードウェア構成の一例について説明する。図４は、シミュレーション装置のハードウェア構成図である。図４に示すように、シミュレーション装置２０は、例えば、情報処理装置（コンピュータ）で構成され、物理的には、演算処理部であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）２１と、主記憶装置であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２２及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２３と、補助記憶装置２４と、入出力インタフェース２５と、出力装置である表示装置２６等を含むコンピュータシステムとして構成することができる。これらは、バス２７で相互に接続されている。なお、補助記憶装置２４及び表示装置２６は、外部に設けられていてもよい。

ＣＰＵ２１は、シミュレーション装置２０の全体の動作を制御し、各種の情報処理を行う。ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２３または補助記憶装置２４に格納された原料鉱石の反応計算プログラムを実行して、測定収録画面と解析画面の表示動作を制御する。

ＲＡＭ２２は、ＣＰＵ２１のワークエリアとして用いられ、主要な制御パラメータや情報を記憶する不揮発ＲＡＭを含んでもよい。

ＲＯＭ２３は、基本入出力プログラム等を記憶する。原料鉱石の反応計算プログラムはＲＯＭ２３に保存されてもよい。

補助記憶装置２４は、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、及びＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置であり、例えば、原料鉱石の反応計算プログラムやシミュレーション装置２０の動作に必要な各種のデータ、ファイル等を格納する。

入出力インタフェース２５は、タッチパネル、キーボード、表示画面、操作ボタン等のユーザインタフェースと、外部のデータ収録サーバ等からの情報を取り込み、他の電子機器に解析情報を出力する通信インタフェースとの双方を含む。

表示装置２６は、モニタディスプレイ等である。表示装置２６では、測定収録画面と解析画面が表示され、入出力インタフェース２５を介した入出力操作に応じて画面が更新される。

図４に示すシミュレーション装置２０の各機能は、ＲＡＭ２２やＲＯＭ２３等の主記憶装置又は補助記憶装置２４にシミュレーションソフトウェア（シミュレーションプログラムを含む）等を読み込ませ、ＲＡＭ２２、ＲＯＭ２３又は補助記憶装置２４に格納された原料鉱石の反応計算プログラム等をＣＰＵ２１により実行することにより、ＲＡＭ２２等におけるデータの読み出し及び書き込みを行うと共に、入出力インタフェース２５及び表示装置２６を動作させることで実現される。

シミュレーションプログラムは、以下の構成のプログラムを用いることができる。
すなわち、シミュレーションプログラムは、反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、移動の途中に揮発分及び固定炭素の少なくとも一方を含む燃焼用材料を投入し、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行うシミュレーションを少なくともコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記燃焼用材料を前記揮発分と前記固定炭素とに質量流量で分配する分配モデルと、
前記燃焼ガスを含む第１ガス相と分配された前記揮発分とを含む第２ガス相の、前記原料鉱石と分配された前記固定炭素とを含む固相との平衡状態に寄与する第１反応量を計算して、前記第２ガス相の平衡反応に寄与する反応分を第１反応分として求める第１反応量の計算モデルと、
前記原料鉱石を含む第１固相と前記固定炭素を含む第２固相の、平衡状態に寄与する第２反応量を計算して、前記第２固相の平衡反応に寄与する反応分を第２反応分として求める第２反応量の計算モデルと、
前記第１反応分と前記第２反応分とが平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算モデルと、
を少なくともコンピュータに実行させるプログラムを用いることができる。

シミュレーションプログラムは、例えば、ＲＡＭ２２やＲＯＭ２３の主記憶装置又は補助記憶装置２４等のコンピュータが備える記憶装置内に格納される。なお、原料鉱石の反応計算プログラムは、その一部又は全部が、通信回線等の伝送媒体を介して伝送され、コンピュータが備える通信モジュール等により受信されて記録（インストールを含む）される構成としてもよい。また、原料鉱石の反応計算プログラムは、その一部又は全部が、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の携帯可能な記憶媒体に格納された状態から、コンピュータ内に記録（インストールを含む）される構成としてもよい。

以上の通り、一実施形態に係るシミュレーション方法は、分配工程（ステップＳ１２）、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）、第２反応量の算出工程（ステップＳ１４）及び平衡反応計算工程（ステップＳ１４）を含む。分配工程（ステップＳ１２）において、燃焼用材料に含まれる揮発分と固定炭素とを分配する。そして、第１反応量の計算工程（ステップＳ１３）で分配された揮発分と第１ガス相とを含む第２ガス相から平衡反応に寄与する第１反応分を求め、第２反応量の計算工程（ステップＳ１４）で第１固相と分配された固定炭素とを含む第２固相から平衡反応に寄与する第２反応分を求める。平衡反応計算工程（ステップＳ１４）では、得られた第１反応分及び第２反応分を用いて平衡反応を計算する。

一実施形態に係るシミュレーション方法は、ロータリーキルン１の途中から投入される燃焼用材料を揮発分及び固定炭素に分配して、それぞれ別々の燃料として扱い、揮発分は第２ガス相を構成する成分とし、固定炭素は第２固相を構成する成分として、ロータリーキルン１内の第２ガス相Ｇ２と第２固相Ｓ２との平衡反応を計算する。これにより、燃焼用材料を構成する揮発分及び固体炭素のそれぞれの移動量を導き出せるため、平衡反応をより正確に解析することができる。よって、一実施形態に係るシミュレーション方法は、ロータリーキルン１の途中から投入される燃焼用材料を考慮して、ロータリーキルン１内の物質の挙動をより高精度に解析することができる。

一実施形態に係るシミュレーション方法は、第１の混合計算工程（ステップＳ１６）及び第２の混合計算工程（ステップＳ１７）を含むことができる。第１の混合計算工程（ステップＳ１６）では、第１未反応分と、平衡反応計算工程（ステップＳ１５）で生成する第１生成分とを混合した第３ガス相Ｇ３の流量を少なくとも計算できる。第２の混合計算工程（ステップＳ１７）では、第２未反応分と、平衡反応計算工程（ステップＳ１５）で生成する第２生成分とを混合した第３固相Ｓ３の流量を少なくとも計算できる。これにより、一実施形態に係るシミュレーション方法は、ロータリーキルン１の途中から供給される燃焼用材料の熱分解によって生じる揮発分の装入端１４Ａへの移動量と、熱分解後残渣である固定炭素の排出端１４Ｂへの移動量を計算できる。

一実施形態に係るシミュレーション方法は、ロータリーキルン１の燃焼用材料供給管１２から燃焼用材料が投下される領域Ａを含む範囲内の物質の挙動をより高精度に解析することができる。そのため、一実施形態に係るシミュレーション方法を、ロータリーキルン１内の全領域に適用することで、ロータリーキルン１内の反応プロセスをより高精度に解析することができる。一実施形態に係るシミュレーション方法をロータリーキルン１の全体に適用する場合について説明する。

一実施形態に係るシミュレーション方法は、例えば、図５に示すように、ロータリーキルン１内を複数の領域に分割した時の１つの領域Ａにおける反応プロセスを単位操作モデルと仮定した時、単位操作モデルの組合せによってロータリーキルン１内の反応プロセスをモデル化できる。そして、一実施形態に係るシミュレーション方法を、ロータリーキルン１内の複数の領域に、原料鉱石の流れ又は燃焼ガスの流れ（仮定した流れを含む。）に沿って繰り返し行う（図５中の矢印参照）。そして、所定の領域における計算値とその領域における前回の計算値との差が所定の範囲内に収まるまで繰り返し行う。

一実施形態に係るシミュレーション方法をロータリーキルン１の全体に適用する場合のフローチャートを図６に示す。図６に示すように、シミュレーション装置２０は、ロータリーキルン１で起こる反応プロセスを複数の単位操作モデルの組合せによってモデル化する（モデル化工程：ステップＳ２１）。

単位操作モデルには、上記の図２に示すシミュレーション装置２０が適用される。それぞれの単位操作モデル毎に、単位操作モデルを構成する、燃焼用材料の分配モデルＭ１、第１反応量の計算モデルＭ２−１、第２反応量の計算モデルＭ２−２、平衡反応計算モデルＭ３、第１の混合計算モデルＭ４−１、及び第２の混合計算モデルＭ４−２等が予め用意される。

各単位操作モデルは、原料鉱石や燃焼ガスの流れ（仮定した流れを含む。）に沿って相互に接続される。

次に、シミュレーション装置２０は、ステップＳ２１においてモデル化された単位操作モデルの計算を行う（計算工程：ステップＳ２２）。単位操作モデルには、流れの情報が入力される。

流れの情報は、原料鉱石、燃焼ガス、及び燃焼用材料の成分、流量、温度、回転数等のデータである。流れの情報が入力されると、単位操作モデルは所定の計算を行い、その計算値（原料鉱石、燃焼ガス、及び燃焼用材料の成分、流量、温度等）が出力される。これらの計算結果から、図２に示すシミュレーション装置２０の各構成に用いる値が計算される。シミュレーション装置２０の各モデルに用いる値としては、第１ガス相Ｇ１の流量、燃焼用材料の分配モデルＭ１で分配される揮発分及び固定炭素の量、第２ガス相Ｇ２の流量、第３ガス相Ｇ３の流量、第１反応分の流量、第１未反応分の流量、第１固相Ｓ１の流量、第２固相Ｓ２の流量、第２反応分の流量、第２未反応分の流量、及び第３固相Ｓ３の流量等である。

本実施形態では、単位操作モデルの計算は、最も装入端１４Ａ側に位置する単位操作モデルから行う。

次に、シミュレーション装置２０は、最終の単位操作モデルまで計算したか否か判断する（ステップＳ２３）

最終の単位操作モデルまで計算した場合（ステップ２３：Ｙｅｓ）は、シミュレーション装置２０は、単位操作モデルの前回の計算値があるか否か判断する（ステップＳ２４）。

前回の計算値がある場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）には、シミュレーション装置２０は、計算工程（ステップＳ２２）において計算された計算値と、前回の計算値とを比較する（ステップＳ２５）。

次に、シミュレーション装置２０は、計算値と前回の計算値との差が収束条件を満たすか否か判断する（比較工程：ステップＳ２６）。

収束条件としては、例えば、計算値と前回の計算値との差が数℃（例えば、１℃）以下の範囲内である。

計算値と前回の計算値との差が収束条件を満たす場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）には、シミュレーション装置２０は、計算を終了する。これにより、ロータリーキルン１のキルン本体１１内の全体で起こる反応プロセスが解析される。

一方、ステップＳ２３において、最終の単位操作モデルまで計算していない場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）は、シミュレーション装置２０は、隣接する他の単位操作モデルである領域Ａ＋１又は領域Ａ―１に位置する単位操作モデルに移行する（ステップＳ２７）。そして、シミュレーション装置２０は、領域Ａ＋１又は領域Ａ―１に位置する単位操作モデルの計算を行う（ステップＳ２２）。

ステップＳ２４において、前回の計算値がない場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）、又はステップＳ２６において、計算値と前回の計算値との差が収束条件を満たさない場合（ステップＳ２６：Ｎｏ）には、シミュレーション装置２０は、先頭の単位操作モデルに移行する（ステップＳ２８）。

よって、一実施形態に係るシミュレーション方法は、ロータリーキルン１で起こる反応プロセスを複数の単位操作モデルの組合せによってモデル化し、単位操作モデルの接続順序に沿って、単位操作モデルの各々に設定された値に基づいて計算を行う。本実施形態では、それぞれの単位操作モデルの計算をロータリーキルン１の装入端１４Ａ側から排出端１４Ｂ側に向かって順じ行った後、排出端１４Ｂ側から装入端１４Ａ側に向かって行う（図５参照）。そして、一連の操作を、所定の領域Ａにおける計算値が所定の収束条件が満たされるまで繰り返す。その結果、ロータリーキルン１内のそれぞれの領域における、燃焼ガスと原料鉱石の流量等の計算結果が導き出される。これにより、ロータリーキルン１のキルン本体１１内の全体での燃焼ガス及び原料鉱石を構成する各物質の挙動をより正確に解析することが可能となる。

このように、一実施形態に係るシミュレーション方法によれば、ロータリーキルン１内の全体の反応プロセスをより高精度に解析することができるため、ロータリーキルン１の運転条件（例えば、ロータリーキルン１の大きさや回転数、原料鉱石の供給量）等を変えながら、ロータリーキルン１内の各物質の挙動をより正確に解析することができる。よって、一実施形態に係る原料鉱石の製錬方法は、ロータリーキルン１の設備改善の事前検討、操業条件、原料鉱石の変更等による影響調査等に有効に活用できる。

なお、本実施形態では、ロータリーキルン１内に供給される原料は、原料鉱石以外の原料でもよい。

本実施形態では、図１に示すロータリーキルン１の途中から投下される燃焼用材料は、揮発分及び固定炭素の両方を必ずしも含んでいなくてもよいし、揮発分及び固定炭素以外に、灰分等の他の物質を含んでいてもよい。

本実施形態では、図１に示すロータリーキルン１以外に、原料鉱石を装入端１４Ａ側から排出端１４Ｂ側に向かって移動させながら加熱する反応炉であればよい。

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ロータリーキルン
１１ キルン本体
１６ バーナー
２０ シミュレーション装置
Ｍ１ 分配モデル
Ｍ２−１ 第１反応量の計算モデル
Ｍ２−２ 第２反応量の計算モデル
Ｍ３ 平衡反応計算モデル
Ｍ４−１ 第１の混合計算モデル
Ｍ４−２ 第２の混合計算モデル
Ｇ１ 第１ガス相
Ｇ２ 第２ガス相
Ｇ３ 第３ガス相
Ｓ１ 第１固相
Ｓ２ 第２固相
Ｓ３ 第３固相

Claims (4)

1. 反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、移動の途中に揮発分及び固定炭素の少なくとも一方を含む燃焼用材料を投入し、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行うシミュレーション方法であって、
   前記燃焼用材料を前記揮発分と前記固定炭素とに質量流量で分配する分配工程と、
   前記燃焼ガスを含む第１ガス相と分配された前記揮発分とを含む第２ガス相の、前記原料鉱石と分配された前記固定炭素とを含む固相との平衡状態に寄与する第１反応量を計算して、前記第２ガス相の平衡反応に寄与する反応分を第１反応分として求める第１反応量の計算工程と、
   前記原料鉱石を含む第１固相と前記固定炭素を含む第２固相の、平衡状態に寄与する第２反応量を計算して、前記第２固相の平衡反応に寄与する反応分を第２反応分として求める第２反応量の計算工程と、
   前記第１反応分と前記第２反応分とが平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算工程と、
   を含むシミュレーション方法。
2. 前記第１反応量の計算工程で、前記第２ガス相の平衡反応に寄与する反応分以外の未反応分を第１未反応分とし、
   前記第２反応量の計算工程で、前記第２固相の平衡反応に寄与する反応分以外の未反応分を、第２未反応分とし、
   前記第１未反応分と、前記平衡反応計算工程で前記第１反応分と前記第２反応分とが反応することで生じる第１生成分とを混合した第３ガス相の流量を少なくとも計算する第１の混合計算工程と、
   前記第２未反応分と、前記平衡反応計算工程で前記第１反応分と前記第２反応分とが反応することで生じる第２生成分とを混合した第３固相の流量を少なくとも計算する第２の混合計算工程と、
   を含む請求項１に記載のシミュレーション方法。
3. 前記反応炉内をその長軸方向に沿って複数の領域に分割すると仮定した時、
   シミュレーション方法は、前記複数の領域に、前記原料鉱石の流れ又は前記燃焼ガスの流れに沿って繰り返し行い、所定の領域における計算値とその領域における前回の計算値との差が所定の範囲内に収まるまで繰り返し行う請求項１又は２に記載のシミュレーション方法。
4. 反応炉の一端側から供給した原料鉱石を他端側に向かって移動させながら、移動の途中に揮発分及び固定炭素の少なくとも一方を含む燃焼用材料を投入し、前記原料鉱石を前記他端側から供給された燃焼ガスと接触させて、乾燥させると共に還元を行うシミュレーション装置であって、
   前記燃焼用材料を前記揮発分と前記固定炭素とに質量流量で分配する分配モデルと、
   前記燃焼ガスを含む第１ガス相と分配された前記揮発分とを含む第２ガス相の、前記原料鉱石と分配された前記固定炭素とを含む固相との平衡状態に寄与する第１反応量を計算して、前記第２ガス相の平衡反応に寄与する反応分を第１反応分として求める第１反応量の計算モデルと、
   前記原料鉱石を含む第１固相と前記固定炭素を含む第２固相の、平衡状態に寄与する第２反応量を計算して、前記第２固相の平衡反応に寄与する反応分を第２反応分として求める第２反応量の計算モデルと、
   前記第１反応分と前記第２反応分とが平衡状態に達した時のそれぞれの熱量の変化及び流量を少なくとも計算する平衡反応計算モデルと、
   を含むシミュレーション装置。

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